Gli antipiretici per i bambini sono prescritti da un pediatra. Ma ci sono situazioni di emergenza per la febbre quando il bambino ha bisogno di ricevere immediatamente la medicina. Quindi i genitori si assumono la responsabilità e usano farmaci antipiretici. Cosa è permesso dare ai neonati? Come abbassare la temperatura nei bambini più grandi? Quali farmaci sono i più sicuri?
"Le cellule nervose non si riprendono": tutti conoscono questa frase. Ma non tutti sanno che questo in realtà non è vero. La natura ha dato al cervello tutte le possibilità di riparazione. Il progetto Fleming racconta come le cellule nervose cambiano il loro scopo, perché una persona ha bisogno di un secondo emisfero e come verrà trattato un ictus nel prossimo futuro.
Percorso per cambiare
Alla domanda "È possibile ripristinare il tessuto nervoso?" medici e scienziati di tutto il mondo per molto tempo con una sola voce hanno risposto fermamente "No". Tuttavia, alcuni appassionati non hanno perso la speranza di dimostrare il contrario. Nel 1962, il professore americano Joseph Altman organizzò un esperimento sul ripristino del tessuto nervoso in un topo. Nel 1980, il fisiologo e neuroendocrinologo sovietico Andrey Polenov scoprì negli anfibi cellule staminali neuronali nelle pareti dei ventricoli cerebrali, che iniziano a dividersi quando il tessuto nervoso è danneggiato. Negli anni '90, il professor Fred Gage ha utilizzato la bromodiossiuridina, che si accumulava nelle cellule dei tessuti in divisione, per trattare i tumori cerebrali. Successivamente, sono state trovate tracce di questo farmaco in tutta la corteccia cerebrale, il che gli ha permesso di concludere che esiste la neurogenesi nel cervello umano. Oggi la scienza dispone di dati sufficienti per poter affermare che la crescita e il rinnovamento delle funzioni delle cellule nervose è possibile.
Il sistema nervoso è progettato per fornire la comunicazione tra il corpo e il mondo esterno. Dal punto di vista della struttura, il tessuto nervoso è suddiviso nel tessuto nervoso stesso e nella neuroglia, un insieme di cellule che assicurano l'isolamento delle parti del sistema nervoso, la loro nutrizione e protezione. La neuroglia svolge anche un ruolo nella formazione della barriera emato-encefalica. La barriera emato-encefalica protegge le cellule nervose dalle influenze esterne, in particolare previene il verificarsi di reazioni autoimmuni dirette contro le proprie cellule. A sua volta, il tessuto nervoso stesso è rappresentato da neuroni che hanno due tipi di processi: numerosi dendriti e un singolo assone. Avvicinandosi, questi processi formano sinapsi, i luoghi in cui il segnale passa da una cellula all'altra e il segnale viene sempre trasmesso dall'assone di una cellula al dendrite di un'altra. Il tessuto nervoso è molto sensibile all'influenza dell'ambiente esterno, l'apporto di nutrienti nei neuroni stessi è vicino allo zero, quindi è necessario un apporto costante di glucosio e ossigeno per fornire energia alle cellule, altrimenti degenerazione e morte di si verificano i neuroni.
Infarto cerebrale subacuto
Già nel 1850, il medico inglese August Waller studiò i processi degenerativi nei nervi periferici danneggiati e scoprì la possibilità di ripristinare la funzione nervosa confrontando le estremità del nervo. Waller ha notato che le cellule danneggiate sono inghiottite dai macrofagi e gli assoni da un lato del nervo danneggiato iniziano a crescere verso l'altra estremità. Se gli assoni entrano in collisione con un ostacolo, la loro crescita si interrompe e si forma un neuroma, un tumore delle cellule nervose che provoca dolore insopportabile. Tuttavia, se le estremità del nervo vengono confrontate in modo molto accurato, è possibile ripristinare completamente la sua funzione, ad esempio nell'amputazione traumatica degli arti. Grazie a ciò, i microchirurghi ora cuciono gambe e braccia tagliate che, in caso di trattamento riuscito, ripristinano completamente la loro funzione.
La situazione è più complicata con il nostro cervello. Se nei nervi periferici la trasmissione dell'impulso va in una direzione, allora negli organi centrali del sistema nervoso i neuroni formano centri nervosi, ognuno dei quali è responsabile di una funzione specifica e unica del corpo. Nel cervello e nel midollo spinale, questi centri sono interconnessi e combinati in percorsi. Questa funzione consente a una persona di eseguire azioni complesse e persino combinarle in complessi, assicurandone il sincronismo e l'accuratezza.
La differenza fondamentale tra il sistema nervoso centrale e quello periferico è la stabilità dell'ambiente interno fornito dalla glia. Glia impedisce la penetrazione di fattori di crescita e macrofagi e le sostanze da essa secrete inibiscono (rallentano) la crescita cellulare. Pertanto, gli assoni non possono crescere liberamente, perché le cellule nervose semplicemente non hanno le condizioni per la crescita e la divisione, che, anche normalmente, possono portare a gravi disturbi. Inoltre, le cellule neurogliali formano una cicatrice gliale che impedisce agli assoni di germogliare, come nel caso dei nervi periferici.
Colpo
Ictus, fase acuta
Il danno al tessuto nervoso si verifica non solo nella periferia. Secondo i Centri statunitensi per il controllo delle malattie, più di 800.000 americani sono ricoverati in ospedale con una diagnosi di ictus e un paziente muore a causa di questa malattia ogni 4 minuti. Secondo Rosstat, nel 2014 in Russia l'ictus è stata la causa diretta della morte di oltre 107.000 persone.
Un ictus è una violazione acuta della circolazione cerebrale derivante da un'emorragia con successiva compressione della sostanza cerebrale ( ictus emorragico) o scarso afflusso di sangue ad aree del cervello derivanti da ostruzione o restringimento del vaso ( infarto cerebrale, ictus ischemico). Indipendentemente dalla natura di un ictus, porta a una violazione di varie funzioni sensoriali e motorie. In base a quali funzioni sono compromesse, il medico può determinare la localizzazione del focus dell'ictus e iniziare il trattamento e il successivo recupero nel prossimo futuro. Il medico, concentrandosi sulla natura dell'ictus, prescrive una terapia che garantisca la normalizzazione della circolazione sanguigna e, quindi, minimizzi le conseguenze della malattia, ma anche con una terapia adeguata e tempestiva, meno di 1/3 dei pazienti guarisce.
Neuroni riqualificati
Nel cervello, il ripristino del tessuto nervoso può avvenire in modi diversi. Il primo è la formazione di nuove connessioni nell'area del cervello accanto alla lesione. Prima di tutto, viene ripristinata l'area intorno al tessuto direttamente danneggiato, chiamata zona diaschitica. Con il costante input di segnali esterni normalmente elaborati dall'area interessata, le cellule vicine iniziano a formare nuove sinapsi e assumono le funzioni dell'area danneggiata. Ad esempio, in un esperimento con le scimmie, quando la corteccia motoria è stata danneggiata, la zona premotoria ha assunto il suo ruolo.
Nei primi mesi dopo un ictus, anche la presenza di un secondo emisfero in una persona gioca un ruolo speciale. Si è scoperto che nelle prime fasi dopo il danno cerebrale, parte delle funzioni dell'emisfero danneggiato viene rilevata dal lato opposto. Ad esempio, quando provi a muovere un arto sul lato interessato, viene attivato quell'emisfero, che normalmente non è responsabile di questa metà del corpo. Nella corteccia si osserva una ristrutturazione delle cellule piramidali: formano connessioni con gli assoni dei motoneuroni dal lato danneggiato. Questo processo è attivo nella fase acuta di un ictus; in seguito, questo meccanismo di compensazione viene a mancare e alcune connessioni vengono interrotte.
Ci sono anche aree nel cervello adulto in cui le cellule staminali sono attive. Questo è il cosiddetto. giro dentato dell'ippocampo e zona subventricolare. L'attività delle cellule staminali negli adulti, ovviamente, non è la stessa del periodo embrionale, ma tuttavia le cellule di queste zone migrano verso i bulbi olfattivi e lì diventano nuovi neuroni o cellule della neuroglia. In un esperimento su animali, alcune cellule hanno lasciato la loro consueta rotta migratoria e hanno raggiunto l'area danneggiata della corteccia cerebrale. Non ci sono dati affidabili su tale migrazione nell'uomo, poiché questo processo può essere nascosto da altri fenomeni di recupero cerebrale.
trapianto di cervello
Ictus, fase acuta
In assenza di migrazione cellulare naturale, i neurofisiologi hanno proposto di sostituire artificialmente le aree danneggiate del cervello con cellule staminali embrionali. In questo caso, le cellule devono differenziarsi in neuroni e il sistema immunitario non sarà in grado di distruggerle a causa della barriera emato-encefalica. Secondo un'ipotesi, i neuroni si fondono con le cellule staminali, formando sincarioni binucleari; Successivamente il "vecchio" nucleo muore e quello nuovo continua a controllare la cellula, prolungandone la vita spingendo oltre il limite delle divisioni cellulari.
Interventi sperimentali condotti da un team internazionale di scienziati guidati dal neurochirurgo francese Anna-Catherine Baschou-Levy dell'Henry Mondor Hospital hanno già dimostrato l'efficacia di questa metodica nel trattamento della corea di Huntington (malattia genetica che provoca alterazioni degenerative del cervello). Sfortunatamente, nella situazione con la corea di Huntington, un innesto funzionante introdotto a scopo sostitutivo non può resistere al progresso della neurodegenerazione in generale, poiché la causa della malattia è un difetto genetico ereditario. Tuttavia, il materiale dell'autopsia ha mostrato che le cellule nervose trapiantate sopravvivono a lungo e non subiscono cambiamenti caratteristici della malattia di Huntington. Pertanto, il trapianto intracerebrale di tessuto nervoso embrionale in pazienti con malattia di Huntington, secondo i dati preliminari, può fornire un periodo di miglioramento e stabilizzazione a lungo termine durante il decorso della malattia. Un effetto positivo può essere ottenuto solo in un numero di pazienti, quindi è necessaria un'attenta selezione e sviluppo di criteri per il trapianto. Come in oncologia, i neurologi ei loro pazienti in futuro dovranno scegliere tra il grado e la durata dell'effetto terapeutico atteso ei rischi associati alla chirurgia, all'uso di immunosoppressori e così via. Interventi simili vengono eseguiti anche negli Stati Uniti, ma i chirurghi americani utilizzano xenotrapianti purificati (prelevati da organismi di un'altra specie) e stanno ancora affrontando il problema dell'insorgenza di tumori maligni (30-40% di tutti gli interventi di questo tipo).
Si scopre che il futuro della neurotrapiantologia non è lontano: sebbene i metodi esistenti non forniscano un recupero completo e siano solo di natura sperimentale, migliorano notevolmente la qualità della vita, ma questo è ancora solo il futuro.
Il cervello è una struttura incredibilmente plastica che si adatta anche a danni come un ictus. Nel prossimo futuro, smetteremo di aspettare che il tessuto si ricostruisca e inizieremo ad aiutarlo, il che renderà la riabilitazione dei pazienti un processo ancora più veloce.
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M. Ugrjumov
CAPACITÀ COMPENSATIVE DEL CERVELLO
Fino alla metà del XX secolo. in neurobiologia dominavano le idee sul conservatorismo dell'organizzazione strutturale e funzionale del cervello, ad es. la sua invariabilità per tutta la vita di una persona. Sebbene tali opinioni contraddicessero la gamma di osservazioni sperimentali e cliniche già accumulate a quel tempo, solo negli ultimi decenni le opinioni consolidate sono state riviste. A livello cellulare e molecolare-genetico, sono state ottenute prove delle gigantesche capacità compensatorie di questo organo unico, la sua plasticità. La conoscenza dei loro meccanismi apre prospettive per lo sviluppo di nuovi metodi per la diagnosi e il trattamento di malattie neurodegenerative croniche socialmente significative, che sono le terze più comuni al mondo dopo le malattie cardiovascolari e oncologiche.
NEURONI E INSIEMI NEURONALI
Alla fine del XIX secolo. l'eccezionale istologo spagnolo Santiago Ramon y Cajal (premio Nobel nel 1906) avanzò una teoria secondo la quale l'unità morfologica del cervello sono i neuroni che formano insiemi e interagiscono tra loro nell'area dei contatti specializzati.
Ha anche affermato che i sistemi neuronali sono in grado di modificare l'attività funzionale sotto l'influenza di stimoli esterni. Queste idee sono state confermate in studi successivi.
Quindi, il famoso neurofisiologo, psichiatra e psicologo russo Vladimir Bekhterev all'inizio del XX secolo. hanno mostrato che la funzione motoria, compromessa in caso di danno parziale al cervelletto, alla corteccia motoria e alla transezione incompleta del midollo spinale nei cani, viene ripristinata nel tempo. Per spiegare il misterioso fenomeno, lo scienziato è partito dalla posizione secondo cui le funzioni delle aree danneggiate sono assunte da quelle non danneggiate. Credeva che la sostituzione compensativa delle funzioni fosse basata sulla riorganizzazione delle connessioni neurali e che questo processo fosse in parte controllato dalle informazioni provenienti dai neuroni bersaglio.
E eccezionali fisiologi domestici, gli accademici Ivan Pavlov (premio Nobel nel 1904) e Leon Orbeli, considerando la patologia del cervello come una simulazione naturale dell'arresto di alcuni dei suoi reparti e delle funzioni corrispondenti, hanno sottolineato che nell'uomo e negli animali è caratterizzato da elevate capacità compensative. Sulla base di queste osservazioni, Orbeli è giunto alla conclusione che il danno locale al cervello e l'interruzione delle corrispondenti funzioni regolatrici alla fine portano all'inclusione di meccanismi regolatori più semplici e filogeneticamente relativamente antichi, che è una delle manifestazioni più importanti della plasticità cerebrale. Una grande quantità di materiale fattuale che conferma la correttezza di tali opinioni è stata accumulata durante le due guerre mondiali in pazienti con ferite da arma da fuoco e lesioni craniocerebrali. Ma, come accennato, i dati evidenti erano in grave contrasto con quelli prevalenti fino alla seconda metà del XX secolo. rappresentazioni.
A quel tempo, le neuroscienze (neuromorfologia, neurofisiologia, neurochimica, neurologia, neurochirurgia) erano costruite su diversi dogmi di base. Dissero: i neuroni non sono in grado di riprodursi nel corpo di un animale e di un uomo adulti; i loro insiemi formati nell'ontogenesi rimangono immutati per tutta la vita successiva; Il fenotipo di una cellula nervosa, in particolare le sue specifiche sintesi e proprietà funzionali, è geneticamente predeterminato e non dipende dall'ambiente e dalle condizioni fisiologiche in cui funziona. Questa "immagine congelata" è cambiata radicalmente nella seconda metà del XX secolo. con l'avvento di approcci fondamentalmente nuovi nel corso della rivoluzione scientifica e tecnologica, che hanno permesso di penetrare nei segreti del cervello. Di conseguenza, è stato possibile identificare i marcatori strutturali e funzionali dei neuroni a livello molecolare e genetico molecolare e infine chiarire i meccanismi del loro funzionamento.
Anche con il più audace volo di fantasia, i nostri eccezionali predecessori non potevano immaginare l'intera complessità dell'organizzazione e del funzionamento del cervello umano. Basti ricordare che, secondo i dati moderni, comprende da 10 a 100 miliardi di neuroni, e ognuno di essi è integrato in insiemi con l'aiuto di 10-30 mila sinapsi (una sinapsi è un luogo di contatto strutturale e funzionale tra i neuroni , in cui le informazioni vengono trasmesse da una cellula all'altra (nota ndr), e nel cervello compaiono circa 200mila segnali ogni secondo. Si è scoperto che lo stimolo principale per la riorganizzazione degli insiemi neuronali, il riarrangiamento del fenotipo chimico di singoli neuroni - cambiamenti nel loro microambiente e nell'ambiente interno del cervello.
Sono di natura compensativa e mirano a mantenere l'omeostasi non solo di questo organo unico, ma dell'organismo nel suo insieme.
SINTESI DI MOLECOLE DI SEGNALE
La proprietà più importante di un neurone, che ne determina l'attività funzionale, è la sintesi delle cosiddette molecole segnale, o neurotrasmettitori, che trasmettono informazioni da un neurone all'altro. Fino alla metà degli anni '60, la loro cerchia conosciuta era limitata ai "neurotrasmettitori classici": acetilcolina e monoammine (norepinefrina, adrenalina, dopamina, serotonina). Ciascuno di essi è sintetizzato da un amminoacido rigorosamente definito utilizzando enzimi secondo il principio della cascata. L'avvento dei metodi immunologici di analisi ha contribuito alla scoperta di un gruppo molto più ampio di molecole di segnalazione, costituito da diverse decine, se non centinaia di neuropeptidi. Per la loro scoperta, il biochimico americano Vincent du Vignot nel 1955, il medico connazionale Andrew Schally e il fisiologo Roger Guillemin ricevettero il premio Nobel nel 1977.
Negli anni '80 è stato fatto un salto qualitativo nella comprensione dei meccanismi della plasticità cerebrale. grazie al metodo della doppia marcatura immunologica delle proteine intracellulari - neuropeptidi ed enzimi per la sintesi di molecole di segnalazione classiche. Utilizzandolo, lo scienziato svedese Thomas Hockfelt ha dimostrato che un singolo neurone è in grado di sintetizzare diversi neurotrasmettitori, e non solo uno, come si pensava in precedenza. Ciò ha permesso di spiegare alcuni meccanismi di plasticità neuronale modificando la sintesi di una molecola di segnalazione in un'altra, a seconda dello stato funzionale e del microambiente. Quindi, con un aumentato bisogno del corpo di vasopressina, un neuropeptide che regola il metabolismo del sale marino, e un'insufficienza funzionale dei neuroni che lo sintetizzano, inizia ad essere prodotto anche da altri neuroni, che in condizioni normali partecipano alla formazione di un altro composto - ossitocina.
Sintesi di dopamina da parte dei neuroni dopaminergici dall'amminoacido -
precursori della tirosina
La proprietà della plasticità si manifesta anche nella regolazione specifica del rilascio di molecole segnale dal neurone. Si è scoperto che nello stesso assone (l'assone è un processo di un neurone che conduce gli impulsi nervosi dal corpo cellulare agli organi innervati o ad altre cellule nervose (ndr)), i neurotrasmettitori di natura diversa sono contenuti in vari depositi subcellulari - vescicole - ed uscita nell'intercellulare Ciò è assicurato dalle differenze nella frequenza degli impulsi nervosi: a bassa frequenza vengono rilasciati neurotrasmettitori classici da piccole vescicole "sinaptiche", ad alta frequenza vengono rilasciati neuropeptidi contenuti in grandi granuli secretori.
E, infine, già nei primi anni del XXI secolo. L'autore dell'articolo e i colleghi hanno scoperto un percorso precedentemente sconosciuto per la sintesi dei neurotrasmettitori classici - le monoammine da parte dei neuroni non monoaminergici, che, come si è scoperto, è uno dei meccanismi più importanti della plasticità cerebrale. L'impulso per questi studi è stata la scoperta da parte di un gruppo guidato da Hockfelt negli anni '80 dei cosiddetti neuroni monoenzimatici che esprimono solo uno degli enzimi per la sintesi delle monoammine. Già nella fase iniziale del nostro lavoro, un argomento convincente, anche se indiretto, a favore dell'importante significato funzionale di queste cellule nervose era l'identificazione della loro ampia distribuzione in tutto il cervello. Inoltre, in alcuni dei suoi dipartimenti, il numero di neuroni monoenzimatici è commisurato o addirittura superiore a quello dei neuroni monoaminergici con un set completo di enzimi.
I neuroni più numerosi contengono uno degli enzimi per la sintesi della dopamina, un neurotrasmettitore molto comune e funzionalmente significativo, precursore biochimico dell'adrenalina e della norepinefrina. Alcuni neuroni contengono solo tirosina idrossilasi (il primo enzima della sintesi della dopamina), mentre altri contengono solo aminoacidi aromatici decarbossilasi (il secondo enzima della sintesi). Abbiamo ottenuto prove sperimentali per la prima volta che questi neuroni monoenzimatici co-sintetizzano questo neurotrasmettitore essenziale.
1 - neurone che sintetizza neurotrasmettitori classici - monoammine dal precursore dell'amminoacido
2 - neurone che sintetizza i neuropeptidi come neurotrasmettitori
L'idea del conservatorismo funzionale e metabolico della cellula nervosa è stata finalmente distrutta quando è diventato chiaro che l'espressione genica e la formazione di enzimi per la sintesi dei neurotrasmettitori classici regolano i segnali chimici intercellulari, che includono un'ampia gamma di sostanze fisiologicamente attive di origine sia cerebrale che periferica - neuropeptidi, ormoni, ormoni della crescita, fattori (neurotrofici), ecc. Ciò significa che quando l'ambiente cambia, un neurone può riorganizzare radicalmente il suo fenotipo chimico, ad esempio, invece dell'acetilcolina (l'acetilcolina è un mediatore (vettore ) di eccitazione nervosa Quando entra nel flusso sanguigno, abbassa la pressione sanguigna, rallenta il battito cardiaco, ecc.
INTERAZIONI INTERNEURONALI
I moderni approcci sperimentali e metodologici hanno confermato le brillanti ipotesi dei nostri grandi predecessori secondo cui gli insiemi neuronali sono riorganizzati in vari stati funzionali del cervello in condizioni normali e, soprattutto, in patologia. Tale plasticità si manifesta, in particolare, nella neoformazione e scomparsa delle sinapsi, nei cambiamenti nel numero e nella configurazione dei loro componenti postsinaptici - spine, che sono brevi escrescenze laterali dei dendriti e in una serie di altre caratteristiche. Un'analisi più dettagliata ha mostrato che le spine grandi sono stabili per lungo tempo (mesi o addirittura anni), mentre quelle piccole, a seconda dell'attività funzionale del neurone, sono mobili e possono rapidamente apparire, scomparire o, al contrario, trasformarsi in grandi quelli. Alla luce di questi dati, si ritiene che le sinapsi formate con la partecipazione di grandi spine siano coinvolte nella memoria a lungo termine, mentre quelle formate con la partecipazione di piccole spine siano il substrato della memoria a breve termine.
In seguito alla scoperta della capacità di una cellula nervosa di sintetizzare contemporaneamente più neurotrasmettitori, è stato dimostrato che sulle membrane post- e presinaptiche (segnale) cellule che fanno parte anche della sinapsi.--Ed.--localizzavano recettori per tutte le molecole segnale rilasciato dal terminale presinaptico dell'assone. In questo caso, queste molecole provocano una specifica risposta fisiologica del neurone bersaglio o modulano l'azione di alcuni neurotrasmettitori su Inoltre, un neurone può trasmettere informazioni a diversi bersagli con l'aiuto di vari neurotrasmettitori .In altre parole, è stata dimostrata l'ampiezza delle capacità funzionali e metaboliche dei neuroni, la loro capacità, se necessario, di trasferire il "centro di gravità" della regolazione da un neurotrasmettitore all'altro e, di conseguenza, da una funzione ad un altro.
Le idee di Ramon y Cajal sull'interazione dei neuroni solo nell'area dei contatti specializzati locali - le sinapsi - sono state recentemente ampliate in modo significativo a seguito della scoperta di recettori per la segnalazione di molecole in tutta la membrana plasmatica del neurone. Allo stesso tempo, si è scoperto che è immerso in un ambiente contenente numerosi neurotrasmettitori, che agiscono su tutta la sua superficie, fornendo un diffuso effetto cosiddetto neuromodulatore.
Uno dei fattori più importanti che determinano la risposta fisiologica finale di un neurone è la concentrazione locale di neurotrasmettitori nel suo ambiente. La densità delle molecole di segnalazione nello spazio intercellulare è determinata non solo dalla velocità del loro rilascio, ma anche dalla velocità di distruzione da parte di enzimi specifici, e anche il livello della loro espressione e attività dipende completamente dal microambiente del neurone.
I neuroni sono sensibili non solo alle molecole di segnalazione di origine cerebrale, ma anche alle loro controparti periferiche - ormoni lipidici che superano la barriera emato-encefalica (la barriera temato-encefalica è un meccanismo fisiologico che regola il metabolismo tra sangue, liquido cerebrospinale e cervello. Protegge il cervello da sostanze estranee, introdotte nel sangue, o prodotti di un metabolismo alterato.—Ed. Questi ultimi, a differenza dei neurotrasmettitori, penetrano nel neurone agendo su recettori localizzati nel citoplasma o nel nucleo. il neurone. La prova del ruolo chiave del suo microambiente in questo processo viene dal trapianto di cellule nervose da un'area del cervello a un'altra.
NEO-FORMAZIONE DEI NEURONI
I primi tentativi di confutare una delle disposizioni fondamentali delle neuroscienze, secondo cui i neuroni si formano solo durante il periodo dello sviluppo embrionale e non si riproducono in un organismo adulto, risalgono agli anni '60 del XX secolo. il nostro connazionale Andrey Polenov (in seguito membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa) e il ricercatore americano Joseph Altman. Tuttavia, il loro lavoro ha causato un flusso di critiche e lo sviluppo di una direzione così importante è stato rallentato per molti anni. Solo in tempi relativamente recenti sono state ottenute prove dirette: i neuroni si formano nel cervello a partire da cellule staminali* (decine di migliaia ogni giorno!) o cellule progenitrici per tutta la vita di un animale e di una persona. C'è motivo di credere che questo sia uno degli importanti meccanismi di plasticità di un organo unico, che garantisce la continua sostituzione delle cellule nervose degenerate con nuove - sia nella norma che, possibilmente, nella patologia: in acuto (ischemia) e malattie neurodegenerative croniche (morbo di Parkinson, Alzheimer, ecc.).
Attualmente, gli scienziati stanno cercando di trovare dipartimenti in cui si formano nuovi neuroni. Finora ne sono stati trovati solo due: nella parete dei ventricoli laterali del cervello a livello dello striato (lo striato è un accumulo accoppiato di materia grigia nello spessore degli emisferi cerebrali, costituito da primati del caudato e del lenticolare nuclei separati da uno strato di sostanza bianca - Ndr) "Nascono" ogni giorno circa 30mila, e nel giro dentato dell'ippocampo (l'ippocampo è il giro dell'emisfero cerebrale alla base del lobo temporale; partecipa a reazioni emotive e meccanismi di memoria (nota ed.) - 3-9 mila Dalla parete dei ventricoli laterali per diversi giorni migrano verso la regione dei bulbi olfattivi, dove metà dei neuroni si differenziano e si integrano in insiemi esistenti, mentre gli altri muoiono e/o la tirosina idrossilasi.
Per quanto riguarda la formazione dei neuroni in altre parti del cervello, in particolare nella corteccia, le informazioni sono contraddittorie. Alcuni studi forniscono la prova di un tale processo nella neocorteccia (lo strato superiore della corteccia), così come nelle aree prefrontale, temporale inferiore e parietale posteriore della corteccia, mentre altri lo negano completamente.
La formazione dei neuroni è regolata da un'ampia gamma di "fattori epigenetici". Includono molecole di segnalazione sia di origine cerebrale - neurotrasmettitori classici, neuropeptidi, fattori di crescita e periferici - ormoni steroidei (sesso e corteccia surrenale). Questo microambiente influenza lo sviluppo dei neuroni e controlla la proliferazione (moltiplicazione) delle cellule staminali o progenitrici. Si presume che il processo di neoplasia sia attivato durante il trauma e l'ischemia. Ciò significa che durante la vita di un individuo non si verifica solo la morte graduale dei neuroni, ma almeno la loro sostituzione parziale, che è di particolare importanza nelle malattie neurodegenerative acute e croniche.
PLASTICITÀ CERVELLO IN PATOLOGIA
Studi degli ultimi decenni hanno dimostrato che i meccanismi della plasticità cerebrale in condizioni normali e patologiche non differiscono qualitativamente, ma in quest'ultimo caso sono espressi quantitativamente in misura molto maggiore. Di notevole interesse per le neuroscienze e la medicina è l'analisi di questi meccanismi in malattie neurodegenerative croniche socialmente significative (iperprolattinemia, Parkinson, Alzheimer, ecc.). Nonostante le differenze significative nelle manifestazioni cliniche, la loro patogenesi è fondamentalmente simile. Il collegamento chiave è la progressiva degenerazione di una o più popolazioni di neuroni specifici, di regola, aminergici localizzati in alcune parti del cervello. Le malattie si sviluppano entro 20-30 anni senza sintomi (il cosiddetto stadio preclinico) e dopo essere passate allo stadio clinico, nonostante il trattamento, progrediscono rapidamente, portando alla disabilità e, di conseguenza, alla morte. I primi sintomi della maggior parte di essi, in particolare il morbo di Parkinson e l'Alzheimer, di solito compaiono dopo i 55 anni e la frequenza della loro insorgenza aumenta con l'età. Il costo del trattamento e della riabilitazione di un tale paziente nei paesi altamente sviluppati raggiunge i 25mila dollari. nell'anno.
Uno dei motivi dello sviluppo dell'iperprolattinemia, che colpisce persone di età relativamente giovane e porta a una compromissione della funzione riproduttiva, è la degenerazione dei neuroni dopaminergici nell'ipotalamo (la parte del diencefalo in cui si trovano i centri del sistema nervoso autonomo situato). Allo stesso tempo, diminuisce il livello di sintesi della dopamina, che inibisce la secrezione di prolattina.
La nostra modellazione dell'iperprolattinemia negli animali da laboratorio introducendo una neurotossina nel cervello, che causa la morte dei neuroni dopaminergici, ha mostrato che la prima fase della malattia, manifestata da un aumento del livello di secrezione di prolattina, è seguita dalla seconda, caratterizzata dalla sua normalizzazione. Ci siamo assicurati che la carenza di dopamina fosse compensata dalla sua sintesi da parte di altri neuroni monoenzimatici (i meccanismi di questo processo sono stati discussi sopra).
Il secondo esempio di plasticità cerebrale in caso di insufficienza funzionale dei neuroni dopaminergici è il morbo di Parkinson. Contrariamente all'iperprolattinemia, questa malattia degenera i neuroni dopaminergici del cosiddetto sistema nigrostriatale, un collegamento chiave nella regolazione centrale del comportamento motorio (motorio). Nei pazienti la patologia si manifesta principalmente sotto forma di tremori alle mani e/o rigidità dei movimenti. Questi neuroni si trovano nella substantia nigra del cervello ("La sostanza nera è uno dei nuclei sottocorticali situati nel mesencefalo - ndr), e i loro assoni sono proiettati nello striato, dove viene rilasciata la dopamina e agisce sui neuroni bersaglio.
I primi sintomi della malattia di Parkinson compaiono solitamente dopo i 55-60 anni di età con degenerazione di almeno il 70-80% dei neuroni dopaminergici. E finora i medici procedono da idee diffuse: il cervello umano è creato con un ampio margine di sicurezza e il 20-30% dei suoi neuroni specifici è abbastanza per garantire la normale regolazione di qualsiasi funzione, compreso il comportamento motorio. Purtroppo, tutti i tentativi di sostenerli o addirittura aumentare la loro attività con l'aiuto della terapia farmacologica portano solo a un effetto positivo limitato nel tempo.
Anche il tentativo di compensare la carenza locale di dopamina nello striato mediante il trapianto di neuroni dopaminergici embrionali, auspicato soprattutto negli ultimi due decenni, si è rivelato inefficace. Sì, allo stesso tempo differenziano, sintetizzano e rilasciano dopamina e stabiliscono anche connessioni sinaptiche con le cellule nervose del ricevente. Ma l'operazione migliora solo temporaneamente le condizioni del paziente, e non di tutti. Pertanto, nonostante alcuni progressi nel neurotrapianto clinico, questo approccio non è ancora raccomandato per il trattamento. Richiede un ulteriore miglioramento a livello sperimentale utilizzando non solo cellule embrionali, ma anche cellule staminali, nonché cellule geneticamente modificate di origine neuronale e non neuronale.
Va notato che nonostante gli enormi sforzi di neurologi, neurochirurghi, farmacologi e investimenti finanziari su larga scala nello sviluppo di metodi per combattere il morbo di Parkinson, nei 190 anni trascorsi dalla sua prima descrizione da parte del medico inglese James Parkinson, non una sola persona che ne soffre è stata curata in tutto il mondo. Ciò testimonia o la natura fatale della patologia o, a nostro avviso, l'ideologia errata alla base dei moderni metodi di diagnosi e cura di tali malattie.
Secondo le nostre idee, la presenza della maggior parte dei neuroni dopaminergici normalmente preesistenti è necessaria per il normale funzionamento del legame dopaminergico nella regolazione del comportamento motorio. L'assenza di manifestazioni esterne della malattia entro 20-30 anni dalla sua insorgenza è probabilmente il risultato della compensazione del deficit funzionale dei neuroni degenerati dovuto all'attivazione di meccanismi compensatori altamente efficaci della plasticità cerebrale. Prove indiscutibili di ciò sono state ottenute da modelli sperimentali. È stato dimostrato che con la morte fino al 50% dei neuroni dopaminergici nello striato, che contiene i neuroni bersaglio della dopamina, viene mantenuto il livello normale del neurotrasmettitore nello spazio intercellulare. Ciò è assicurato, prima di tutto, dall'inclusione della sintesi cooperativa dei suoi precursori da parte dei neuroni monoenzimatici. In effetti, il loro numero aumenta molte volte con la degenerazione dei neuroni dopaminergici, raggiungendo diverse decine di migliaia nei primati.
Nonostante l'efficacia del descritto, così come una serie di altri meccanismi compensatori (un aumento dell'attività secretoria dei neuroni dopaminergici conservati, un aumento della sensibilità dei neuroni bersaglio alla dopamina, ecc.), la degenerazione in corso dei neuroni dopaminergici prima o successivamente porta ad una diminuzione della concentrazione di dopamina nello spazio intercellulare a un livello tale da non essere in grado di provocare un'adeguata risposta fisiologica quando agisce sui neuroni bersaglio. E poi compaiono i primi segni di una violazione del comportamento motorio, ad es. la malattia passa allo stadio clinico, portando alla disabilità e alla successiva morte del paziente.
Ciò porta a due compiti, la cui soluzione può portare al successo nel trattamento di una serie di malattie neurodegenerative. Il primo è legato allo sviluppo della loro diagnostica preclinica, il secondo - alla ricerca di metodi di prevenzione nella fase preclinica, basati sulla gestione farmacologica dei processi compensatori e sul rallentamento della degenerazione di specifici neuroni.
Accademico Mikhail UGRYUMOV,
Responsabile dei Laboratori, Istituto di Biologia dello Sviluppo
loro. N.K. Koltsov RAS,
Istituto di fisiologia normale. pc. Anokhin
RAMS (Mosca), Professore dell'Università. P. e M. Curie (Parigi)
livelli di plasticità
All'inizio di questo secolo, i ricercatori del cervello hanno abbandonato le idee tradizionali sulla stabilità strutturale del cervello adulto e sull'impossibilità di formare nuovi neuroni in esso. È diventato chiaro che la plasticità del cervello adulto utilizza anche i processi di neurogenesi in misura limitata.
Quando si parla della plasticità del cervello, molto spesso si intende la sua capacità di cambiare sotto l'influenza dell'apprendimento o del danno. I meccanismi responsabili della plasticità sono diversi e la sua manifestazione più perfetta nel danno cerebrale è la rigenerazione. Il cervello è una rete estremamente complessa di neuroni che comunicano tra loro attraverso formazioni speciali: le sinapsi. Pertanto, possiamo distinguere due livelli di plasticità: livelli macro e micro. Il livello macro è associato a un cambiamento nella struttura della rete del cervello che fornisce la comunicazione tra gli emisferi e tra le diverse aree all'interno di ciascun emisfero. A livello micro, i cambiamenti molecolari avvengono nei neuroni stessi e nelle sinapsi. Ad entrambi i livelli, la plasticità cerebrale può manifestarsi sia rapidamente che lentamente. In questo articolo ci concentreremo principalmente sulla plasticità a livello macro e sulle prospettive della ricerca sulla rigenerazione cerebrale.
Ci sono tre semplici scenari per la plasticità cerebrale. Nel primo si verifica un danno al cervello stesso: ad esempio, un ictus nella corteccia motoria, a seguito del quale i muscoli del tronco e degli arti perdono il controllo dalla corteccia e si paralizzano. Il secondo scenario è l'opposto del primo: il cervello è intatto, ma un organo o una sezione del sistema nervoso alla periferia è danneggiato: un organo sensoriale - un orecchio o un occhio, un midollo spinale, un arto è amputato. E poiché, allo stesso tempo, le informazioni cessano di fluire nelle corrispondenti parti del cervello, queste parti diventano "disoccupate", non sono funzionalmente coinvolte. In entrambi gli scenari, il cervello viene riorganizzato, cercando di riempire la funzione delle aree danneggiate con l'aiuto di quelle non danneggiate, o di coinvolgere le aree "disoccupate" nel mantenimento di altre funzioni. Per quanto riguarda il terzo scenario, è diverso dai primi due ed è associato a disturbi mentali causati da vari fattori.
Un po' di anatomia
Sulla fig. 1 mostra un diagramma semplificato della posizione sulla corteccia esterna dell'emisfero sinistro dei campi descritti e numerati nell'ordine del loro studio dall'anatomista tedesco Korbinian Brodmann.
Ogni campo di Brodmann è caratterizzato da una speciale composizione di neuroni, dalla loro posizione (i neuroni della corteccia formano strati) e dalle connessioni tra di essi. Ad esempio, i campi della corteccia sensoriale, in cui l'elaborazione primaria delle informazioni dagli organi sensoriali, differiscono nettamente nella loro architettura dalla corteccia motoria primaria, che è responsabile della formazione dei comandi per i movimenti muscolari volontari. La corteccia motoria primaria è dominata da neuroni che assomigliano a piramidi in forma, e la corteccia sensoriale è rappresentata principalmente da neuroni la cui forma corporea ricorda grani, o granuli, motivo per cui sono chiamati granulari.
Di solito il cervello è diviso in anteriore e posteriore (Fig. 1). Le aree della corteccia adiacenti ai campi sensoriali primari nel rombencefalo sono chiamate zone associative. Elaborano le informazioni provenienti dai campi sensoriali primari. Più è lontana da esse la zona associativa, più è in grado di integrare informazioni provenienti da diverse aree del cervello. La più alta capacità integrativa nel rombencefalo è caratteristica della zona associativa nel lobo parietale (non colorata in Fig. 1).
Nel proencefalo, la corteccia premotoria è adiacente alla corteccia motoria, dove si trovano ulteriori centri per la regolazione del movimento. Al polo frontale c'è un'altra vasta zona associativa: la corteccia prefrontale. Nei primati, questa è la parte più sviluppata del cervello, responsabile dei processi mentali più complessi. È nelle zone associative dei lobi frontali, parietali e temporali nelle scimmie adulte che è stata rivelata l'inclusione di nuovi neuroni granulari con una vita breve fino a due settimane. Questo fenomeno è spiegato dalla partecipazione di queste zone ai processi di apprendimento e memoria.
All'interno di ciascun emisfero, le regioni vicine e lontane interagiscono tra loro, ma le regioni sensoriali all'interno di un emisfero non comunicano direttamente tra loro. Le regioni omotopiche, cioè simmetriche, di diversi emisferi sono interconnesse. Gli emisferi sono anche collegati con le regioni subcorticali del cervello sottostanti, evolutivamente più antiche.
Riserve cerebrali
Prove impressionanti della plasticità cerebrale sono fornite dalla neurologia, soprattutto negli ultimi anni, con l'avvento di metodi visivi per lo studio del cervello: computer, risonanza magnetica e tomografia ad emissione di positroni, magnetoencefalografia. Le immagini del cervello ottenute con il loro aiuto hanno permesso di accertarsi che in alcuni casi una persona sia in grado di lavorare e studiare, di essere socialmente e biologicamente completa, pur avendo perso una parte molto significativa del cervello.
Forse l'esempio più paradossale di plasticità cerebrale è il caso dell'idrocefalo in un matematico, che ha portato alla perdita di quasi il 95% della corteccia e non ha influito sulle sue elevate capacità intellettuali. La rivista Science ha pubblicato un articolo su questo argomento dal titolo ironico "Abbiamo davvero bisogno di un cervello?"
Tuttavia, più spesso un danno significativo al cervello porta a una profonda disabilità per tutta la vita: la sua capacità di ripristinare le funzioni perse non è illimitata. Cause comuni di danno cerebrale negli adulti sono gli accidenti cerebrovascolari (nei casi più gravi
manifestazione - ictus), meno spesso - traumi e tumori cerebrali, infezioni e intossicazioni. Nei bambini, i casi di alterazione dello sviluppo cerebrale non sono rari, associati sia a fattori genetici che a patologie dello sviluppo prenatale.
Tra i fattori che determinano le capacità rigenerative del cervello, prima di tutto, va individuato età del paziente. A differenza degli adulti, nei bambini, dopo la rimozione di uno degli emisferi, l'altro emisfero compensa le funzioni di quello remoto, compreso il linguaggio. (È noto che negli adulti la perdita della funzione di uno degli emisferi è accompagnata da disturbi del linguaggio.) Non tutti i bambini compensano altrettanto rapidamente e completamente, ma un terzo dei bambini all'età di 1 anno con paresi delle braccia e le gambe si liberano dei disturbi dell'attività motoria all'età di 7 anni. Fino al 90% dei bambini con disturbi neurologici nel periodo neonatale si sviluppa successivamente normalmente. Pertanto, il cervello immaturo è maggiormente in grado di far fronte ai danni.
Il secondo fattore è la durata dell'esposizione all'agente dannoso. Un tumore a crescita lenta deforma le parti del cervello più vicine ad esso, ma può raggiungere dimensioni impressionanti senza disturbare le funzioni cerebrali: i meccanismi compensatori hanno il tempo di attivarsi in esso. Tuttavia, un disturbo acuto della stessa portata è molto spesso incompatibile con la vita.
Il terzo fattore è la localizzazione del danno cerebrale. Di piccole dimensioni, il danno può colpire l'area di denso accumulo di fibre nervose che vanno in varie parti del corpo e causare una grave malattia. Ad esempio, attraverso piccole aree del cervello chiamate capsule interne (ce ne sono due, una in ciascun emisfero), dai motoneuroni della corteccia cerebrale passano le fibre del cosiddetto tratto piramidale ( fig. 2), che va al midollo spinale e trasmette i comandi a tutti i muscoli del corpo e degli arti. Quindi, un'emorragia nell'area della capsula interna può portare alla paralisi dei muscoli dell'intera metà del corpo.
Quarto fattore- l'estensione della lesione. In generale, più grande è la lesione, maggiore è la perdita della funzione cerebrale. E poiché la base dell'organizzazione strutturale del cervello è una rete di neuroni, la perdita di una sezione della rete può influenzare il lavoro di altre sezioni remote. Questo è il motivo per cui i disturbi del linguaggio sono spesso notati nelle lesioni delle regioni del cervello situate lontano dalle aree specializzate del linguaggio, come il centro di Broca (campi 44-45 in Fig. 1).
Infine, oltre a questi quattro fattori, sono importanti le variazioni individuali nelle connessioni anatomiche e funzionali del cervello.
Come viene riorganizzata la corteccia
Abbiamo già detto che la specializzazione funzionale delle diverse aree della corteccia cerebrale è determinata dalla loro architettura. Questa specializzazione evolutiva funge da barriera alla manifestazione della plasticità cerebrale. Ad esempio, se la corteccia motoria primaria è danneggiata in un adulto, le sue funzioni non possono essere assunte dalle aree sensoriali situate accanto ad essa, ma la zona premotoria dello stesso emisfero adiacente può farlo.
Nei destrimani, quando il centro di Broca associato alla parola è disturbato nell'emisfero sinistro, non solo le aree ad esso adiacenti vengono attivate, ma anche l'area omotopica al centro di Broca nell'emisfero destro. Tuttavia, un tale spostamento di funzioni da un emisfero all'altro non passa inosservato: il sovraccarico dell'area della corteccia che aiuta l'area danneggiata porta a un deterioramento dell'esecuzione dei propri compiti. Nel caso descritto, il trasferimento delle funzioni del linguaggio all'emisfero destro è accompagnato da un indebolimento dell'attenzione visivo-spaziale del paziente - ad esempio, una persona del genere può ignorare parzialmente (non percepire) il lato sinistro dello spazio.
È interessante notare che il trasferimento interemisferico di funzioni è possibile in alcuni casi, ma non in altri. Apparentemente, ciò significa che le zone omotopiche in entrambi gli emisferi sono caricate in modo diverso. Forse è per questo che nel trattamento dell'ictus mediante microelettrostimolazione transcranica (ne parleremo più dettagliatamente di seguito), il miglioramento del linguaggio è più spesso osservato e ha più successo del ripristino dell'attività motoria della mano.
Il ripristino compensativo della funzione, di regola, non si verifica a causa di alcun meccanismo. Quasi ogni funzione del cervello si realizza con la partecipazione delle sue varie aree, sia corticali che sottocorticali. Ad esempio, nella regolazione dell'attività motoria, oltre alla corteccia motoria primaria, sono coinvolti diversi centri corticali motori aggiuntivi, che hanno le proprie connessioni con le aree vicine e lontane del cervello e i propri percorsi che attraversano il tronco cerebrale fino al midollo spinale. Quando la corteccia motoria primaria è danneggiata, l'attivazione di questi centri migliora le funzioni motorie.
Inoltre, l'organizzazione del tratto piramidale stesso - il percorso di conduzione più lungo, che consiste in molti milioni di assoni (processi "abduttori") dei motoneuroni della corteccia e segue i neuroni delle corna anteriori del midollo spinale (Fig. 2) - offre un'altra possibilità. Nel midollo allungato, il tratto piramidale si divide in due fasci: spesso e sottile. I fasci spessi si incrociano e, di conseguenza, il fascio spesso dell'emisfero destro nel midollo spinale segue a sinistra e il fascio spesso dell'emisfero sinistro, rispettivamente, a destra. I motoneuroni della corteccia dell'emisfero sinistro innervano i muscoli della metà destra del corpo e viceversa. I raggi sottili non si intersecano, conducono dall'emisfero destro a quello destro, da sinistro a sinistro.
In un adulto, l'attività dei motoneuroni della corteccia, i cui assoni passano attraverso fasci sottili, non viene praticamente rilevata. Tuttavia, se, ad esempio, l'emisfero destro è danneggiato, quando l'attività motoria dei muscoli del collo e del tronco del lato sinistro è disturbata, sono questi motoneuroni che si attivano nell'emisfero sinistro, con assoni in un sottile fascio. Di conseguenza, l'attività muscolare viene parzialmente ripristinata. Si può presumere che questo meccanismo sia coinvolto anche nel trattamento dell'ictus in fase acuta mediante microelettrostimolazione transcranica.
Una manifestazione notevole della plasticità cerebrale è la riorganizzazione della corteccia danneggiata anche molti anni dopo che si è verificata la lesione. Il ricercatore americano Edward Taub (che ora lavora presso l'Università dell'Alabama) ei suoi colleghi tedeschi, Wolfgang Mitner e Thomas Elbert, hanno proposto un semplice schema per la riabilitazione dell'attività motoria nei pazienti colpiti da ictus. La durata del danno cerebrale tra i loro pazienti variava da sei mesi a 17 anni. L'essenza della terapia di due settimane era sviluppare i movimenti della mano paralizzata usando vari esercizi, mentre la mano sana era immobile (fissa). La particolarità di questa terapia è l'intensità del carico: i pazienti si sono esercitati per sei ore al giorno! Quando il cervello di pazienti la cui attività motoria della mano è stata ripristinata è stato esaminato utilizzando la risonanza magnetica funzionale, si è scoperto che molte aree di entrambi gli emisferi erano coinvolte nell'esecuzione dei movimenti con questa mano. (Normale - con un cervello non affetto - se una persona muove la mano destra, il suo emisfero sinistro è prevalentemente attivato e l'emisfero destro è responsabile del movimento della mano sinistra.)
La riattivazione di una mano paralizzata 17 anni dopo un ictus è un risultato innegabilmente entusiasmante e un ottimo esempio di riorganizzazione corticale. Tuttavia, questo risultato è stato realizzato a caro prezzo: la complicità di un gran numero di aree della corteccia e, inoltre, di entrambi gli emisferi.
Il principio del cervello è tale che in un dato momento l'una o l'altra area della corteccia può partecipare a una sola funzione. Il coinvolgimento di molte aree della corteccia contemporaneamente nel controllo dei movimenti delle mani limita la possibilità di esecuzione parallela (simultanea) di diversi compiti da parte del cervello. Immagina un bambino su una bicicletta a due ruote: si siede su una sella, pedala con i piedi, traccia il suo percorso, fissa il volante con la mano destra e suona il campanello con l'indice, e tiene un biscotto con la mano sinistra , mordendolo. L'implementazione di un programma così semplice per passare rapidamente da un'azione all'altra è al di là del potere non solo del cervello interessato, ma anche riorganizzato. Senza sminuire l'importanza del metodo proposto per la riabilitazione dei pazienti colpiti da ictus, vorrei sottolineare che non può essere perfetto. L'opzione ideale sembra essere il ripristino della funzione non dovuto alla riorganizzazione del cervello colpito, ma grazie alla sua rigenerazione.
Partenza dalle regole
Passiamo ora al secondo scenario: il cervello è intatto, ma gli organi periferici sono danneggiati e, più specificamente, l'udito o la vista. È in questa situazione che si trovano le persone che nascono cieche o sorde. È stato a lungo osservato che i ciechi discriminano le informazioni uditive e percepiscono il parlato più velocemente dei vedenti. Quando le persone che erano cieche dalla nascita (e che avevano perso la vista nella prima infanzia) sono state esaminate mediante tomografia a emissione di positroni del cervello mentre leggevano testi digitati in Braille, si è scoperto che quando leggono con le dita, non solo il sistema somatosensoriale viene attivata la corteccia responsabile della sensibilità tattile, ma anche la corteccia visiva. Perché sta succedendo? Dopotutto, la corteccia visiva dei ciechi non riceve informazioni dai recettori visivi! Risultati simili sono stati ottenuti studiando il cervello dei sordi: hanno percepito il linguaggio dei segni (gesti) da loro utilizzato per la comunicazione, compresa la corteccia uditiva.
Riso. 3. Operazione di reimpianto del tratto ottico al corpo genicolato mediale del talamo. A sinistra è mostrato il normale decorso delle vie nervose degli occhi e delle orecchie; a destra la loro posizione dopo l'intervento chirurgico. (Le vie nervose che trasportano le informazioni uditive sono state tagliate dai corpi genicolati mediali e le terminazioni dei nervi ottici, separate dai corpi genicolati laterali del talamo, sono state piantate al loro posto. Il collicolo inferiore nel mesencefalo, dove parte del vie nervose dall'orecchio alla corteccia uditiva (non mostrate nel diagramma): |
Come già notato, le zone sensoriali non sono direttamente collegate tra loro nella corteccia, ma interagiscono solo con le aree associative. Si può presumere che il reindirizzamento delle informazioni somatosensoriali nei ciechi alla corteccia visiva e delle informazioni visive nei sordi all'uditivo avvenga con la partecipazione delle strutture sottocorticali. Questo reindirizzamento sembra essere economico. Quando le informazioni vengono trasmesse da un organo sensoriale all'area sensoriale della corteccia, il segnale passa più volte da un neurone all'altro nelle formazioni subcorticali del cervello. Uno di questi interruttori si verifica nel talamo (talamo) del diencefalo. I punti di commutazione delle vie nervose di diversi organi sensoriali sono strettamente adiacenti (Fig. 3, a sinistra).
Se un organo sensoriale (o la via nervosa che ne deriva) è danneggiato, il suo punto di commutazione è occupato dalle vie nervose di un altro organo sensoriale. Pertanto, le aree sensoriali della corteccia, che si sono rivelate tagliate fuori dalle solite fonti di informazione, sono coinvolte nel lavoro a causa del reindirizzamento ad esse di altre informazioni. Ma cosa succede allora agli stessi neuroni della corteccia sensoriale, che elaborano informazioni a loro estranee?
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti, Jitendra Sharma, Alessandra Angelucci e Mriganka Sur, hanno preso dei furetti all'età di un giorno e hanno eseguito un'operazione chirurgica sugli animali: hanno impiantato entrambi i nervi ottici nelle vie talamocorticali che portano al corteccia sensoriale uditiva (Fig. 3). Lo scopo dell'esperimento era scoprire se la corteccia uditiva si trasforma strutturalmente e funzionalmente quando le vengono trasmesse informazioni visive. (Ricordiamo ancora che ogni tipo di corteccia è caratterizzato da una specifica architettura di neuroni.) In effetti, questo è accaduto: la corteccia uditiva è diventata morfologicamente e funzionalmente simile a quella visiva!
I ricercatori Diane Cann e Lee Krubitzer dell'Università della California hanno fatto diversamente. Agli opossum sono stati rimossi entrambi gli occhi il quarto giorno dopo la nascita e, dopo 8-12 mesi, le aree sensoriali primarie della corteccia e la zona di associazione ad esse adiacente sono state studiate negli animali maturi. Come previsto, in tutti gli animali accecati, la corteccia visiva è stata riorganizzata: è notevolmente diminuita di dimensioni. Ma, con sorpresa dei ricercatori, un'area X strutturalmente nuova era adiacente direttamente alla corteccia visiva.Sia la corteccia visiva che l'area X contenevano neuroni che percepivano informazioni uditive, somatosensoriali o entrambe. Nella corteccia visiva rimaneva un numero insignificante di aree che non percepivano né l'una né l'altra modalità sensoriale, cioè conservavano, probabilmente, il loro scopo originario: la percezione delle informazioni visive.
Sorprendentemente, la riorganizzazione della corteccia ha interessato non solo la corteccia visiva, ma anche quella somatosensoriale e uditiva. In uno degli animali, la corteccia somatosensoriale conteneva neuroni che rispondevano alla modalità uditiva o somatosensoriale oa entrambe, ei neuroni della corteccia uditiva rispondevano ai segnali uditivi oa quelli uditivi e somatosensoriali. Nel normale sviluppo del cervello, questa mescolanza di modalità sensoriali si verifica solo nelle aree associative di ordine superiore, non nelle aree sensoriali primarie.
Lo sviluppo del cervello è determinato da due fattori: interno - il programma genetico ed esterno - informazioni provenienti dall'esterno. Fino a tempi recenti, la valutazione dell'influenza di un fattore esterno è stato un problema sperimentale intrattabile. Gli studi che abbiamo appena descritto hanno permesso di stabilire quanto sia importante la natura delle informazioni che entrano nel cervello per lo sviluppo strutturale e funzionale della corteccia. Hanno approfondito la nostra comprensione della plasticità cerebrale.
Perché il cervello si rigenera male
L'obiettivo della biologia e della medicina rigenerativa è bloccare la guarigione mediante cicatrizzazione in caso di danno a un organo e identificare le possibilità di riprogrammare l'organo danneggiato per ripristinare la struttura e la funzione. Questo compito comporta il ripristino nell'organo danneggiato dello stato caratteristico dell'embriogenesi, e la presenza in esso delle cosiddette cellule staminali capaci di moltiplicarsi e differenziarsi in vari tipi di cellule.
Nei tessuti di un organismo adulto, le cellule hanno spesso una capacità di divisione molto limitata e aderiscono strettamente alla “specializzazione”: le cellule epiteliali non possono trasformarsi in cellule di fibre muscolari e viceversa. Tuttavia, i dati accumulati fino ad oggi ci consentono di affermare con certezza che le cellule si rinnovano in quasi tutti gli organi dei mammiferi. Ma la velocità di aggiornamento è diversa. La rigenerazione delle cellule del sangue e dell'epitelio intestinale, la crescita dei capelli e delle unghie procedono a un ritmo costante per tutta la vita di una persona. Il fegato, la pelle o le ossa hanno una notevole capacità rigenerativa e la rigenerazione richiede la partecipazione di un gran numero di molecole regolatrici di varia origine. In altre parole, l'omeostasi (l'equilibrio) di questi organi è sotto la supervisione sistemica, in modo che la loro capacità di rigenerarsi venga risvegliata ogni volta che un qualsiasi danno disturba l'equilibrio.
Le cellule muscolari del cuore si rinnovano, seppur lentamente: è facile calcolare che durante una vita umana, la composizione cellulare del cuore si rinnova completamente almeno una volta. Inoltre è stata trovata una linea di topi in cui il cuore colpito da infarto si rigenera quasi completamente. Quali sono le prospettive per la terapia rigenerativa cerebrale?
I neuroni vengono aggiornati nel cervello di un adulto. Nei bulbi olfattivi del cervello e nel giro dentato dell'ippocampo, situato sulla superficie interna del lobo temporale del cervello, c'è un continuo rinnovamento dei neuroni. Le cellule staminali sono state isolate dal cervello di un essere umano adulto e hanno dimostrato in condizioni di laboratorio di essere in grado di differenziarsi in cellule di altri organi. Come già accennato, nelle aree associative dei lobi frontali, temporali e parietali nelle scimmie adulte si formano nuovi neuroni granulari con una durata di vita breve (circa due settimane). I primati hanno anche mostrato la neurogenesi in una vasta area che copre le superfici interne e inferiori del lobo temporale del cervello. Ma questi processi sono di natura limitata, altrimenti entrerebbero in conflitto con i meccanismi evolutivi del cervello.
È difficile immaginare come esisterebbero in natura l'uomo ei suoi fratelli minori con un rapido rinnovamento cellulare del cervello. Sarebbe impossibile tenere in memoria l'esperienza accumulata, le informazioni sul mondo che ci circonda, le competenze necessarie. Inoltre, sarebbero impossibili i meccanismi responsabili della manipolazione combinatoria delle rappresentazioni mentali di oggetti e processi del passato, del presente o del futuro - tutto ciò che è alla base della coscienza, del pensiero, della memoria, del linguaggio, ecc.
I ricercatori concordano sul fatto che la rigenerazione limitata del cervello adulto non può essere spiegata da un singolo fattore e quindi non può essere rimossa da un singolo impatto. Oggi sono note diverse dozzine di molecole diverse che bloccano (o inducono) la rigenerazione di lunghi processi di neuroni - assoni. Sebbene siano già stati compiuti alcuni progressi nella stimolazione della crescita degli assoni danneggiati, il problema della rigenerazione dei neuroni stessi è ancora lungi dall'essere risolto. Tuttavia, in questi giorni, quando la complessità del cervello ha smesso di spaventare i ricercatori, questo problema attira sempre più l'attenzione. Ma non dobbiamo dimenticare quanto detto nel paragrafo precedente. Il recupero di un cervello danneggiato non significherà un completo ripristino della personalità precedente: la morte dei neuroni è una perdita irreparabile dell'esperienza e della memoria passate.
Cos'è il MES
La complessità dei meccanismi di rigenerazione cerebrale ha dato slancio alla ricerca di tali effetti sistemici che provocherebbero il movimento delle molecole nei neuroni stessi e nel loro ambiente, trasferendo il cervello in un nuovo stato. La sinergetica - la scienza delle interazioni collettive - afferma che un nuovo stato in un sistema può essere creato mescolando i suoi elementi. Poiché la maggior parte delle molecole negli organismi viventi porta una carica, una tale perturbazione nel cervello potrebbe essere causata da deboli correnti pulsate esterne, che si avvicinano nelle loro caratteristiche alle biocorrenti del cervello stesso. Abbiamo provato a mettere in pratica questa idea.
Il fattore decisivo per noi è stata la bioattività a onde lente (0,5-6 hertz) del cervello dei bambini piccoli. Poiché le caratteristiche del cervello sono coerenti in ogni fase dello sviluppo, abbiamo ipotizzato che sia questa attività a mantenere la capacità del cervello del bambino di ripristinare la funzione. La microelettrostimolazione a onde lente con correnti deboli (MES) potrebbe indurre meccanismi simili in un adulto?
La differenza nella resistenza elettrica degli elementi cellulari e del fluido intercellulare del tessuto nervoso è enorme: nelle cellule è 10 3-10 4 volte superiore. Pertanto, durante la MES, è più probabile che si verifichino spostamenti molecolari nel fluido intercellulare e sulla superficie cellulare. Lo scenario dei cambiamenti può essere il seguente: le piccole molecole nel fluido intercellulare inizieranno a vibrare più fortemente, i fattori regolatori a basso peso molecolare che sono debolmente legati ai recettori cellulari si staccheranno da loro, i flussi di ioni dalle cellule e nella cellula cambieranno , ecc. Pertanto, il MES può causare un'immediata perturbazione dell'ambiente intercellulare nella lesione, modificare l'omeostasi patologica e indurre una transizione verso nuove relazioni funzionali nel tessuto cerebrale. Di conseguenza, il quadro clinico della malattia migliorerà rapidamente, la neurodeficienza diminuirà. Si noti che la procedura MES è innocua, indolore e breve: il paziente viene semplicemente posizionato su determinate aree della testa con una coppia di elettrodi collegati a una sorgente di corrente.
Per testare la validità delle nostre ipotesi, in collaborazione con specialisti di diverse cliniche e ospedali di San Pietroburgo, abbiamo selezionato pazienti con le seguenti lesioni del sistema nervoso centrale: stadio acuto di ictus, nevralgia del trigemino, sindrome da astinenza da oppio e paralisi cerebrale . Queste malattie differiscono per origine e meccanismi di sviluppo, tuttavia, in ogni caso, la MES ha causato effetti terapeutici rapidi o immediati (rapido e immediato non sono la stessa cosa: un effetto immediato si verifica immediatamente dopo l'esposizione o in un tempo molto breve).
Risultati così impressionanti danno motivo di credere che il MES modifichi il funzionamento della struttura di rete del cervello attraverso vari meccanismi. Per quanto riguarda gli effetti del MES che sono rapidi e in aumento da procedura a procedura nei pazienti in fase acuta di ictus, oltre ai meccanismi discussi sopra, possono essere associati al ripristino dei neuroni soppressi dall'intossicazione, con la prevenzione dell'apoptosi - la morte programmata dei neuroni nell'area interessata, nonché con l'attivazione della rigenerazione. Quest'ultima ipotesi è supportata dal fatto che la MES accelera il recupero della funzione della mano dopo che le estremità dei nervi periferici danneggiati sono state ricollegate chirurgicamente in essa, e anche dal fatto che nei pazienti del nostro studio sono stati osservati effetti terapeutici ritardati.
Nella sindrome da astinenza da oppio, si realizza il terzo degli scenari di plasticità cerebrale che stiamo considerando. Questo è un disturbo mentale associato all'uso ripetuto di droghe. Nelle fasi iniziali, i disturbi non sono ancora associati a notevoli cambiamenti strutturali nel cervello, come nella paralisi cerebrale, ma sono in gran parte dovuti a processi che si verificano a livello micro. La rapidità e la molteplicità degli effetti del MES in questa sindrome e in altri disturbi mentali conferma la nostra ipotesi che il MES colpisca molte molecole diverse contemporaneamente.
Un totale di più di 300 pazienti sono stati trattati con MES, con effetti terapeutici che servono come criterio principale per valutare l'effetto di MES. In futuro, ci sembra necessario non tanto chiarire il meccanismo di azione del MES quanto raggiungere la massima plasticità cerebrale in ogni malattia. In un modo o nell'altro, sarebbe apparentemente scorretto ridurre la spiegazione dell'azione del MES a singole molecole o sistemi di segnalazione cellulare.
Un importante vantaggio della microelettrostimolazione con correnti deboli è che, contrariamente ai metodi attualmente diffusi di terapia sostitutiva cellulare e genica, essa innesca meccanismi endogeni intrinseci di plasticità cerebrale. Il problema principale della terapia sostitutiva non è nemmeno accumulare la massa di cellule necessaria per il trapianto e introdurle nell'organo colpito, ma far sì che l'organo accetti queste cellule in modo che possano vivere e lavorare in esso. Fino al 97% delle cellule trapiantate nel cervello muore! Pertanto, ulteriori studi sulla MES nell'induzione dei processi di rigenerazione cerebrale sembrano promettenti.
Conclusione
Abbiamo considerato solo alcuni esempi di plasticità cerebrale associata alla riparazione del danno. Altre sue manifestazioni sono legate allo sviluppo del cervello, più precisamente, ai meccanismi responsabili della memoria, dell'apprendimento e di altri processi. Forse qui stiamo aspettando nuove entusiasmanti scoperte. (Un probabile presagio di essi è la neooneurogenesi nelle zone associative dei lobi frontali, parietali e temporali delle scimmie adulte.)
Tuttavia, la plasticità cerebrale ha anche i suoi lati negativi. I suoi effetti negativi determinano molte malattie del cervello (ad esempio, malattie della crescita e dell'invecchiamento, disturbi mentali). Le revisioni di numerosi dati di imaging cerebrale concordano sul fatto che la corteccia frontale è spesso ridotta nella schizofrenia. Ma anche i cambiamenti nella corteccia in altre aree del cervello non sono rari. Di conseguenza, il numero di neuroni e contatti tra i neuroni dell'area interessata diminuisce, così come il numero delle sue connessioni con altre parti del cervello. Questo cambia la natura dell'elaborazione delle informazioni che vi entrano e il contenuto delle informazioni "in uscita"? I disturbi della percezione, del pensiero, del comportamento e del linguaggio nei pazienti con schizofrenia ci consentono di rispondere affermativamente a questa domanda.
Vediamo che i meccanismi responsabili della plasticità cerebrale giocano un ruolo cruciale nel suo funzionamento: nella compensazione dei danni e nello sviluppo delle malattie, nei processi di apprendimento e formazione della memoria, ecc. Non sarebbe una grande esagerazione attribuire la plasticità a le caratteristiche fondamentali del cervello.
Dottore in scienze biologiche E. P. Kharchenko,
MN Klimenko
Chimica e Vita, 2004, N6
Malattie neurodegenerative come l'Alzheimer o il Parkinson, ictus, traumi portano alla perdita di cellule nervose e, di conseguenza, alla funzione dell'organo che queste cellule svolgevano. La capacità del cervello dei mammiferi adulti, compresi gli esseri umani, di compensare queste perdite è molto limitata. Pertanto, gli scienziati stanno esplorando le possibilità di trapiantare le cellule nervose, sostituendo i neuroni persi con quelli nuovi. Fino a poco tempo fa non si sapeva se i neuroni trapiantati potessero integrarsi nei circuiti neurali esistenti abbastanza da ripristinare le funzioni dell'area del cervello interessata.
Ricercatori tedeschi del Max Planck Institute for Neurobiology, dell'Università Ludwig-Maximilian di Monaco e del Centro Helmholtz di Monaco hanno deciso di scoprire se le cellule del tessuto nervoso embrionale di topo trapiantate possono integrarsi nella corteccia visiva danneggiata di topi adulti. Questa regione del cervello è ideale per tali esperimenti, dicono gli scienziati, perché si sa abbastanza sulle interconnessioni strutturali e funzionali dei neuroni nella corteccia visiva per valutare facilmente se i nuovi neuroni eseguiranno effettivamente la funzione desiderata.
Gli scienziati hanno distrutto chirurgicamente le cellule nella corteccia visiva primaria dei topi, l'area del cervello in cui sono integrati i segnali provenienti dalla retina. Pochi giorni dopo, i neuroni di topo embrionali e immaturi sono stati trapiantati nel sito della lesione.
Nelle settimane successive è stato osservato il "comportamento" dei neuroni impiantati utilizzando la microscopia a due fotoni per vedere se si differenziavano nel tipo di cellule che si trovano normalmente in quest'area del cervello - i cosiddetti neuroni piramidali. Il processo di integrazione dei neuroni trapiantati era simile al processo di sviluppo normale, compreso l'ordine di maturazione morfologica delle cellule: lo sviluppo di assoni, dendriti, spine dendritiche. Entro due mesi, i neuroni introdotti hanno acquisito la morfologia delle tipiche cellule piramidali mature.
Per quanto riguarda la funzione, le cellule piramidali derivate da neuroni immaturi trapiantati formavano normali connessioni funzionali, potevano rispondere a stimoli visivi, elaborare informazioni e trasmetterle correttamente. Cioè, i neuroni impiantati sono stati integrati nelle reti neurali con elevata precisione.
Senza l'intervento degli scienziati, nuove cellule nervose non sarebbero mai apparse nell'area danneggiata della corteccia. Il cervello di un mammifero adulto può rigenerarsi, ma introducendo neuroni immaturi nel luogo del danno.
Operazioni sperimentali simili vengono eseguite sull'uomo, ad esempio, il trapianto di cellule staminali embrionali nell'area interessata del cervello di un paziente con malattia di Parkinson è stato eseguito per la prima volta più di vent'anni fa e tali esperimenti continuano, tuttavia, con successo variabile. Certo, è ancora molto lontano dal trattare le persone in questo modo "al volo" a causa dei problemi di utilizzo delle cellule embrionali - sia etici che pratici, associati ad un alto rischio di sviluppare un tumore maligno.
Foto: https://www.flickr.com Galleria di immagini NIH. Credito: Scott Vermilyea, Neuroscience Training Program, School of Medicine and Public Health e laureato in neurobiologia Scott Guthrie, con i membri SCRMC Ted Golos e Marina Emborg, professori presso la School of Medicine and Public Health e il Wisconsin National Primate Research Center.
Preparato da Maria Perepechaeva
Nei casi in cui si verifica un "rottura" di qualsiasi meccanismo del cervello, il processo di sviluppo e apprendimento viene interrotto. Il "breakdown" può verificarsi a diversi livelli: l'input di informazioni, la sua ricezione, elaborazione, ecc. possono essere interrotti. Ad esempio, il danno all'orecchio interno con lo sviluppo della perdita dell'udito provoca una diminuzione del flusso di informazioni sonore. Ciò porta, da un lato, al sottosviluppo funzionale e quindi strutturale della sezione centrale (corticale) dell'analizzatore uditivo, dall'altro, al sottosviluppo delle connessioni tra la corteccia uditiva e la zona motoria dei muscoli del linguaggio, tra gli analizzatori uditivi e di altro tipo. In queste condizioni, l'udito fonemico e la formazione fonetica della parola sono disturbati. Non solo il discorso, ma anche lo sviluppo intellettuale del bambino è disturbato. Di conseguenza, il processo della sua formazione e istruzione diventa molto più difficile.
Pertanto, il sottosviluppo o la violazione di una delle funzioni porta al sottosviluppo di un'altra o anche di più funzioni. Tuttavia, il cervello ha notevoli capacità compensative. Abbiamo già notato che le possibilità illimitate di connessioni associative nel sistema nervoso, l'assenza di una ristretta specializzazione dei neuroni della corteccia cerebrale, la formazione di complessi "insiemi di neuroni" costituiscono la base delle grandi possibilità compensative del cervello corteccia.
Le riserve di possibilità compensative del cervello sono veramente grandiose. Secondo calcoli moderni, il cervello umano può contenere circa 1020 unità di informazione; ciò significa che ognuno di noi è in grado di ricordare tutte le informazioni contenute nei milioni di volumi della biblioteca. Dei 15 miliardi di cellule del cervello, gli esseri umani ne usano solo il 4%. Le potenziali capacità del cervello possono essere giudicate dallo straordinario sviluppo di una funzione nelle persone di talento e dalla capacità di compensare una funzione disturbata a scapito di altri sistemi funzionali. Nella storia di vari tempi e popoli, si conosce un gran numero di persone che possedevano una memoria fenomenale. Il grande comandante Alessandro Magno conosceva per nome tutti i suoi soldati, di cui c'erano diverse decine di migliaia nel suo esercito. A. V. Suvorov possedeva la stessa memoria per i volti. Giuseppe Mezzofanti, il capo custode della biblioteca in Vaticano, colpiva per la sua memoria fenomenale. Parlava correntemente 57 lingue. Mozart aveva una memoria musicale unica. All'età di 14 anni nella Cattedrale di St. Peter, ha sentito musica da chiesa. Gli appunti di quest'opera erano il segreto della corte pontificia e venivano custoditi con la massima riservatezza. Il giovane Mozart ha “rubato” questo segreto in un modo molto semplice: quando è tornato a casa, ha scritto la partitura a memoria. Quando, molti anni dopo, fu possibile confrontare le note di Mozart con l'originale, non c'era un solo errore in esse. Gli artisti Levitan e Aivazovsky avevano una memoria visiva eccezionale.
È noto un gran numero di persone che hanno una capacità originale di memorizzare e riprodurre una lunga serie di numeri, parole, ecc.
Questi esempi dimostrano chiaramente le possibilità illimitate del cervello umano. Nel libro "From Dream to Discovery", G. Selye osserva che la corteccia cerebrale umana contiene tanta energia mentale quanta energia fisica è contenuta nel nucleo atomico.
Le grandi capacità di riserva del sistema nervoso sono utilizzate nel processo di riabilitazione di persone con determinate disabilità dello sviluppo. Con l'aiuto di tecniche speciali, un defettologo può compensare le funzioni compromesse a scapito di quelle intatte. Quindi, in caso di sordità congenita o perdita dell'udito, a un bambino può essere insegnata la percezione visiva del discorso orale, ad es. Il discorso tattile può essere usato come sostituto temporaneo del discorso orale. Se la regione temporale sinistra è danneggiata, una persona perde la capacità di comprendere il discorso a lui rivolto. Questa capacità può essere gradualmente ripristinata attraverso l'uso di visivi, tattili e altri tipi di percezione dei componenti del linguaggio.
Pertanto, la defettologia basa i suoi metodi di lavoro sull'abilitazione e riabilitazione di pazienti con lesioni del sistema nervoso sull'uso delle enormi capacità di riserva del cervello.
